课10-环境作用下金属的力学行为课件.ppt

1、 力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院 第十章第十章 环境作用下金属的学行为环境作用下金属的学行为 力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院10.1 引言引言 机器和工程结构总是在一定环境介质中服役的。机器和工程结构总是在一定环境介质中服役的。腐蚀性很弱的介质与应力的协同作用，也会巨大腐蚀性很弱的介质与应力的协同作用，也会巨大地影响材料的力学行为。地影响材料的力学行为。介质与应力的协同作用，常比它们的单独作用或介质与应力的协同作用，常比它们的单独作用或者二者简单的叠加更为严重，引起的断裂称为者二者简单的叠加更为

2、严重，引起的断裂称为材料的环境敏感断裂。材料的环境敏感断裂。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院结构零件的受力状态是多种多样的，如拉伸应力、交变应结构零件的受力状态是多种多样的，如拉伸应力、交变应力、摩擦力、振动力等。不同状态的应力与介质的协同力、摩擦力、振动力等。不同状态的应力与介质的协同作用所造成的环境敏感断裂形式各不相同。据此，可以作用所造成的环境敏感断裂形式各不相同。据此，可以将它们分为应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳、磨损腐蚀和微动将它们分为应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳、磨损腐蚀和微动腐蚀等等。腐蚀等等。在静载荷长时作用下的环境敏感断裂有应力腐蚀断裂和氢在

3、静载荷长时作用下的环境敏感断裂有应力腐蚀断裂和氢脆断裂。脆断裂。在交变载荷作用下的环境敏感断裂，则称之为腐蚀疲劳。在交变载荷作用下的环境敏感断裂，则称之为腐蚀疲劳。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院10.2 应力腐蚀断裂及其评定指标应力腐蚀断裂及其评定指标 10.2.1 应力腐蚀断裂的行为特性应力腐蚀断裂的行为特性应力腐蚀断裂（应力腐蚀断裂（Stress Corrosion Cracking,简称简称SCC）:材料在静应力和腐蚀介质共同作用下发生的脆性断裂。材料在静应力和腐蚀介质共同作用下发生的脆性断裂。应力腐蚀断裂并不是应力和腐蚀介质两个因素分别

4、对材料应力腐蚀断裂并不是应力和腐蚀介质两个因素分别对材料性能损伤的简单叠加。通常，发生应力腐蚀断裂所需要性能损伤的简单叠加。通常，发生应力腐蚀断裂所需要的应力是很小的；若不是处于特定的腐蚀介质中，这样的应力是很小的；若不是处于特定的腐蚀介质中，这样小的应力不可能引起材料的断裂。反之，如果没有任何小的应力不可能引起材料的断裂。反之，如果没有任何应力存在，则材料在这种环境介质中所受的腐蚀也是轻应力存在，则材料在这种环境介质中所受的腐蚀也是轻微的。应力腐蚀断裂的危险性正在于它常常发生在相当微的。应力腐蚀断裂的危险性正在于它常常发生在相当缓和的介质中和不大的应力状态下，而且往往事先没有缓和的介质中和不

5、大的应力状态下，而且往往事先没有明显的预兆，因此常造成灾难性事故。明显的预兆，因此常造成灾难性事故。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院应力腐蚀断裂有如下三个基本特征：应力腐蚀断裂有如下三个基本特征：(1)必须有应力、特别是拉伸应力的作用。必须有应力、特别是拉伸应力的作用。拉伸应力愈大，断裂所需的时间愈短。拉伸应力愈大，断裂所需的时间愈短。SCC断裂所需断裂所需的应力，一般都远低于材料的屈服强度。的应力，一般都远低于材料的屈服强度。所谓应力，不仅指结构零件在服役过程中所承受的工所谓应力，不仅指结构零件在服役过程中所承受的工作应力，也包含结构件在加工和

6、装配过程中所产生的残作应力，也包含结构件在加工和装配过程中所产生的残留内应力，以及腐蚀产物体积膨胀所带来的附加应力。留内应力，以及腐蚀产物体积膨胀所带来的附加应力。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院(2)对于一定成分的合金，只有在特定介质中才能发生对于一定成分的合金，只有在特定介质中才能发生应力腐蚀断裂。应力腐蚀断裂。例如黄铜只有在氨水溶液中才会发生应力腐蚀断裂，而黄铜在水介质中就能发生应力腐蚀断裂。又如奥氏体不锈钢在氯化物溶液中具有很高的应力腐蚀断裂敏感性（俗称“氯脆”），而铁素体不锈钢对此却不敏感。金 属 材 料环 境 介 质低碳钢Ca(NO3

7、)2，NH4NO3，NaOH低合结构钢NaOH高强度钢雨水、海水、H2S奥氏体不锈钢热浓的含C1溶液黄铜NH4+高强度铝合金海水钛合金（A1=0.06,V=0.04）液态N2O4 力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院(3)对于确定的金属与环境介质组合来说，应力腐对于确定的金属与环境介质组合来说，应力腐蚀裂纹扩展速度取决于应力或应力强度因子的蚀裂纹扩展速度取决于应力或应力强度因子的水平，通常约在水平，通常约在10-310-1cm/h数量级范围。数量级范围。(4)应力腐蚀断口一般属于脆断型。应力腐蚀断口一般属于脆断型。力学性能表征、评价与测试研究室力学性

8、能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院(5)应力腐蚀断裂通常只有一条主裂纹，但形成应力腐蚀断裂通常只有一条主裂纹，但形成许多分支。裂纹可以是沿晶界扩展的（沿晶型许多分支。裂纹可以是沿晶界扩展的（沿晶型），也可以是穿过晶粒内部扩展的（穿晶型），也可以是穿过晶粒内部扩展的（穿晶型），甚至是兼有这两种形式的混合型。，甚至是兼有这两种形式的混合型。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院10.2.2 应力腐蚀断裂的评定指标应力腐蚀断裂的评定指标:用经典力学方法用经典力学方法:以试件在介质中的拉伸应力与断裂时的关系曲线以试件在介质中的拉伸应力与断裂时的关系曲

9、线为依据。为依据。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院断裂时间tf是随着外加拉伸应力的提高而降低。当外加应力低于某一定值时，应力腐蚀断裂时间tf趋于无限长，此应力称为临界应力c。若断裂时间tf是随着外加应力降低而持续不断地缓慢增长，则采取在给定的时间基数下发生应力腐蚀断裂的应力，作为条件临界应力。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院运用断裂力学方法：采用预制裂纹试样，主要是测定应力腐蚀裂纹扩展速率。断裂时间tf是随着应力强度因子KI的降低而增加的。当KI值降低到某一临界值时，应力腐蚀断裂实际上就不发生了，这

10、时的KI值称之为应力腐蚀临界应力强度因子或门槛值，以KISCC表示。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院高强度钢和钛合金都有一定的槛值KISCC。有些材料，例如某些铝合金，却没有明显的门槛值；其门槛值定义为在规定的试验时间内不发生腐蚀断裂的上限KI值。当裂纹尖端的应力强度因子KI高于KISCC时，裂纹将扩展。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt与应力强度因子K1的关系可以分为三个阶段。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院在第阶段，应力

11、腐蚀裂纹扩展速率da/dt主要取决于应力强度因子，同时也取决于环境介质和温度。这时起主导作用的是力学因素，da/dt随着K1的增大而迅速增加。在第阶段，da/dt保持恒定，不随应力强度因子K1而改变，这时化学因素起决定性作用。第阶段，da/dt随着K1值的增加而迅速增大，当K1达到KIC时，裂纹便失稳扩展而引起断裂。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院应力腐蚀断裂的断裂力学测试方法主要有两种类型，即恒载荷法和恒位移法：（1）恒载荷法 给试样施加一恒定的载荷，在试验过程中随着裂纹的扩展，裂纹顶端的应力强度因子K1逐渐增大。力学性能表征、评价与测试研究室

12、力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院（2）恒位移法 在整个试验过程中，裂纹张开位移（试样刀口处）保持恒定，随着裂纹的扩展，裂纹顶端的应力强度因子K1逐渐减小。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院10.3 应力腐蚀断裂的机理应力腐蚀断裂的机理 关于应力腐蚀断裂的机制曾提出了许多学说，但关于应力腐蚀断裂的机制曾提出了许多学说，但是迄今没有一种机制能够满意地解释各种应力是迄今没有一种机制能够满意地解释各种应力腐蚀断裂现象。腐蚀断裂现象。尽管如此，从材料和环境介质相互作用的观点，尽管如此，从材料和环境介质相互作用的观点，可以将应力腐蚀断裂的机制

13、分为阳极溶解型和可以将应力腐蚀断裂的机制分为阳极溶解型和氢脆型两大类。氢脆型两大类。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院10.4 金属氢脆的行为特性金属氢脆的行为特性 10.4.1 氢脆的分类氢脆的分类氢脆也称为氢损伤。它是一种氢介质引起的材料塑性下氢脆也称为氢损伤。它是一种氢介质引起的材料塑性下降或开裂的现象。降或开裂的现象。前面谈到应力腐蚀断裂的一种机制便是氢脆，然而决不前面谈到应力腐蚀断裂的一种机制便是氢脆，然而决不可以认为氢脆只是应力腐蚀的一种情况。实际上由氢可以认为氢脆只是应力腐蚀的一种情况。实际上由氢所引起的脆化，有着较应力腐蚀断裂更广泛

14、的含意。所引起的脆化，有着较应力腐蚀断裂更广泛的含意。内部氢脆：在材料冶炼或零件加工过程中（如焊接、酸内部氢脆：在材料冶炼或零件加工过程中（如焊接、酸洗、电镀、热处理等）吸收了大量的氢而造成的；洗、电镀、热处理等）吸收了大量的氢而造成的；环境氢脆：构件在含氢环境中使用时吸收了氢所造成的环境氢脆：构件在含氢环境中使用时吸收了氢所造成的。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院氢脆按其与外力作用的关系又分为第一类氢脆和第二类氢脆两类。第一类氢脆是在加载荷之前材料内部已存在某种氢脆断裂源。在应力作用下裂纹迅速形成与扩展，因而随着加载速度的增加，氢脆的敏感性增大

15、。白点、氢蚀、氢化物致脆等都属于这个类型。第二类氢脆则是在负荷之前，材料内部并不存在氢脆断裂源，加载后由于氢与应力的交互作用才形成断裂源，裂纹逐渐扩展而导致脆断，因而氢脆的敏感性是随着加载速度的降低而增大。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院第二类氢脆中尚有可逆性氢脆与不可逆性氢脆之分。所谓可逆性氢脆是指材料经低速变脆后，如果卸载并停留一段时间再进行正常速度形变，原先已脆化材料的塑性可以得到恢复。通常中、高强度钢的环境氢脆及低含氢量状况下的内部氢脆具有可逆性。不可逆性氢脆则是指已脆化的材料，卸载后再进行正常速度形变时，其塑性不能恢复。应力感生氢化物致

16、脆便属于此类。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院10.4.2 氢蚀氢蚀:在高温高压下氢与钢中的固溶体或渗碳体发生下列反应在高温高压下氢与钢中的固溶体或渗碳体发生下列反应C(Fe)+4HCH4，或或 Fe3C3Fe+C，C+2H2CH4所生成的甲烷在晶界处聚集达到一定浓度后，由于内压所生成的甲烷在晶界处聚集达到一定浓度后，由于内压升高将会使钢发生沿晶裂纹，从而使钢的塑性大幅度升高将会使钢发生沿晶裂纹，从而使钢的塑性大幅度降低。在合成氨、合成甲醇、石油加氢及其它一些化降低。在合成氨、合成甲醇、石油加氢及其它一些化工和石油工业中常常发生氢蚀问题。工和石油

17、工业中常常发生氢蚀问题。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院10.4.3 氢化物致脆氢化物致脆:在纯钛、在纯钛、钛合金、钒、锆、铌及其合金中氢易钛合金、钒、锆、铌及其合金中氢易形成氢化物，使材料的塑性、韧性降低，产生形成氢化物，使材料的塑性、韧性降低，产生脆化。脆化。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院10.4.4 可逆氢脆的控制可逆氢脆的控制:材料的强度水平对氢脆敏感性有着重要的材料的强度水平对氢脆敏感性有着重要的影响。强度高于影响。强度高于700MPa的钢便具有较明显的的钢便具有较明显的氢脆敏感性；并且

18、随着强度的升高，氢脆敏感氢脆敏感性；并且随着强度的升高，氢脆敏感性增高。因此氢脆成为高强度钢应用中一个尖性增高。因此氢脆成为高强度钢应用中一个尖锐的问题。含硫化氢油气田所用的钢管，为避锐的问题。含硫化氢油气田所用的钢管，为避免应力腐蚀断裂，规定应控制硬度在免应力腐蚀断裂，规定应控制硬度在22HRC以下。以下。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院84 腐蚀疲劳腐蚀疲劳在循环载荷和腐蚀介质的共同作用下，金属材料在循环载荷和腐蚀介质的共同作用下，金属材料所产生的破坏称为腐蚀疲劳（所产生的破坏称为腐蚀疲劳（Corrosion Fatigue，简称，简称CF）

19、。）。腐蚀介质有气体介质和液体介质。相对于真空而腐蚀介质有气体介质和液体介质。相对于真空而言，空气也应看作腐蚀介质。言，空气也应看作腐蚀介质。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院841 腐蚀疲劳的特点腐蚀疲劳的特点腐蚀疲劳不同于一般疲劳之处是：腐蚀疲劳不同于一般疲劳之处是：疲劳极限无水平线，对一般的金属结构材料，在腐蚀疲疲劳极限无水平线，对一般的金属结构材料，在腐蚀疲劳条件下，其疲劳寿命缩短，疲劳极限降低劳条件下，其疲劳寿命缩短，疲劳极限降低；条件疲劳极限与静强度不存在同步关系；条件疲劳极限与静强度不存在同步关系；对加载有强烈的频率效应。频率越低，腐

20、蚀疲劳性能就对加载有强烈的频率效应。频率越低，腐蚀疲劳性能就越低；越低；力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院随着应力比（随着应力比（R）增加，腐蚀疲劳性能变差；）增加，腐蚀疲劳性能变差；腐蚀疲劳断口常以多源、沿晶断裂及多齿状为特腐蚀疲劳断口常以多源、沿晶断裂及多齿状为特征；征；在裂纹扩展区疲劳条纹不再连续出现，常伴有网在裂纹扩展区疲劳条纹不再连续出现，常伴有网状裂纹和腐蚀痕迹。状裂纹和腐蚀痕迹。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院腐蚀疲劳又不同于一般应力腐蚀腐蚀疲劳又不同于一般应力腐蚀：一种材料只有在特定的

21、介质环境中才会发生应力一种材料只有在特定的介质环境中才会发生应力腐蚀，但腐蚀疲劳在任何介质中均会出现。腐蚀，但腐蚀疲劳在任何介质中均会出现。材料在应力腐蚀条件下存在一个临界应力强度因材料在应力腐蚀条件下存在一个临界应力强度因子子KIscc。当外加应力强度因子小于当外加应力强度因子小于KIscc，时，时，材料不会发生应力腐蚀开裂，然而在腐蚀疲，材料不会发生应力腐蚀开裂，然而在腐蚀疲劳条件下，当劳条件下，当KI小于小于KIscc时，虽不产生应力腐时，虽不产生应力腐蚀，但腐蚀疲劳开裂照样发生。蚀，但腐蚀疲劳开裂照样发生。力学性能表征、评价与测试研究室力学性能表征、评价与测试研究室一航材料院一航材料院第十章完